Метеорология и климатология (рус.)

Всякий газ производит давление на ограничивающие его стенки, т. е. действует на эти стенки с какой-то силой давления, направленной перпендикулярно (нормально) к стенке. Число­вую величину этой силы давления, отнесенную к единице пло­щади, и называют давлением. Давление газа объясняется дви­жениями его молекул, той «бомбардировкой», которой они под­вергают стенки. При возрастании температуры и при сохранении объема газа скорости молекулярных движений увеличиваются и, следовательно, давление растет.

Если мысленно выделить какой-то объем внутри атмосферы, то воздух в этом объеме испытывает давление извне на во­ображаемые стенки, ограничивающие данный объем, со стороны окружающего воздуха. Со своей стороны воздух изнутри объ­ема оказывает такое же давление на окружающий воздух.

     Итак, в атмосфере всегда существуют подвижные электри­ческие заряды, связанные с ионами, а также с элементами об­лаков и осадков. Заряды эти — обоих знаков, причем преобла­дают положительные, так что суммарный заряд атмосферы — положительный. При этом с высотой он растет. Сама земная поверхность также обладает электрическим зарядом, притом в сумме отрицательным (порядка -6*10⁵ кулонов).

     В результате атмосфера обладает электростатическим полем, в каждой точке которого есть то или иное значение потенциала. Это значит, что электрический заряд, помещенный в любой точке атмосферы, будет испытывать силу, действующую на него в направлении, нормальном к поверхности равного потенциала, проходящей через эту точку. Эту силу на единицу положитель­ного электрического заряда называют напряженностью атмосферно-электрического поля. Она направлена в отсутствии обла­ков сверху вниз и измеряется изменением потенциала поля на единицу расстояния, т. е. в вольтах на метр (в/м).

Часть молекул атмосферных газов и частиц атмосферного аэрозоля — капелек, пылинок, кристаллов — несет электрические заряды. Эти заряженные частички называются ионами.

Молекулы воздуха заряжаются вследствие потери электрона или присоединения свободного электрона. К заряженной моле­куле присоединяются другие молекулы, в которых происходит путем индукции разделение зарядов. Так возникает электри­чески заряженный комплекс молекул, называемый легким ионом. Заряженные молекулы могут также присоединяться к ядрам конденсации или пылинкам, взвешенным в воздухе, вследствие чего возникают более крупные тяжелые ионы с массами в ты­сячи раз большими, чем у легких ионов.

Содержание легких ионов у земной поверхности — несколько сотен на один кубический сантиметр, тяжелых — от нескольких сотен до десятков тысяч на один кубический сантиметр.

Кроме перечисленных выше атмосферных газов, в воздух местами могут проникать другие газы, особенно соединения, воз­никающие при сгорании топлива (окислы серы, углерода, фос­фора и др.). Наиболее заражается такими примесями воздух больших городов и промышленных районов.

В состав атмосферы входят также твердые и жидкие ча­стички, взвешенные в атмосферном воздухе. Кроме водяных ка­пелек и кристаллов, возникающих в атмосфере при конденсации водяного пара, это пыль почвенного и органического происхож­дения; твердые частички дыма, сажи, пепла и капельки кислот, попадающие в воздух при лесных пожарах, при сжигании топ­лива, при вулканических извержениях; частички морской соли, попадающие в воздух при разбрызгивании морской воды во время волнения (обычно, в силу своей гигроскопичности, это не твердые частички, а мельчайшие капельки насыщенного рас­твора соли в воде); микроорганизмы (бактерии); пыльца, споры; наконец, космическая пыль, попадающая в атмосферу (около миллиона тонн в год) из межпланетного пространства, а также возникающая при сгорании метеоров в атмосфере. Особое место среди атмосферных примесей занимают продукты искусствен­ного радиоактивного распада, заражающие воздух при испыта­тельных взрывах атомных и термоядерных бомб.

     Изменение с высотой содержания озона в воздухе особенно интересно. У земной поверхности озон содержится в ничтожных количествах. С высотой содержание его возрастает, причем не только в процентном отношении, но и по абсолютным значе­ниям. Максимальное содержание озона наблюдается на высотах 25—30 км; выше оно убывает и на высотах около 60 км сходит на нет.

     Процесс образования озона из кислорода происходит в слоях от 60 до 15 км при поглощении кислородом ультрафиолетовой солнечной радиации. Часть двухатомных молекул кислорода разлагается на атомы, а атомы присоединяются к сохранив­шимся молекулам, образуя трехатомные молекулы озона. Одно­временно происходит обратный процесс превращения озона в кислород. В слои ниже 15 км озон заносится из вышележа­щих слоев при перемешивании воздуха.

Процентное содержание составных частей сухого воздуха в нескольких нижних десятках километров (до 100—120 км) с высотой почти не меняется. Воздух, находящийся в постоян­ном движении, хорошо перемешивается по вертикали, и атмо­сферные газы не расслаиваются по плотности, как это было бы в условиях спокойной атмосферы (где доля более легких газов должна была бы возрастать с высотой).

Однако выше 100 км такое расслоение газов по плотности начинается и постепенно увеличивается с высотой. Примерно до высоты 200 км преобладающим газом атмосферы все-таки остается азот. Выше начинает преобладать кислород, причем кислород в атомарном состоянии: под действием ультрафиолето­вой радиации Солнца его двухатомные молекулы разлагаются на заряженные атомы. Выше 1000 км атмосфера состоит глав­ным образом из гелия и водорода, причем водород — также в атомарном состоянии, т. е. в виде заряженных атомов, — пре­обладает.

Содержание водяного пара в воздухе называют влажностью воздуха. Основные характеристики влажности — это упругость водяного пара и относительная влажность.

Водяной пар, как всякий газ, обладает упругостью (давле­нием). Упругость водяного пара е пропорциональна его плотно­сти (содержанию в единице объема) и его абсолютной темпера­туре. Она выражается в тех же единицах, что и давление воздуха, т. е. либо в миллиметрах ртутного столба, либо в мил­либарах.

Упругость водяного пара в состоянии насыщения называют упругостью насыщения. Это максимальная упругость водяного пара, возможная при данной температуре. Например, при тем­пературе 0° упругость насыщения равна 6,1 мб. На каждые 10° температуры   упругость   насыщения   увеличивается   примерно вдвое.